EP1099465A2 - Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, mit einem Partikelfilter (8) in einer Abgasleitung (3) der Brennkraftmaschine (1), bei dem die im Abgas enthaltenen Partikel mit dem Partikelfilter gefiltert werden. Damit eine verbesserte Oxidation der Partikel stattfinden kann, werden der NO2-Anteil und der C-Anteil im Abgas ermittelt und bei Unterschreitung und/oder Überschreitung bestimmter Wertebereiche im Abgas der NO2-Anteil und/oder der C-Anteil im Abgas so erhöht oder vermindert, daß die Anteile in den bestimmten Wertebereichen liegen. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, 3, 8 oder 10.
Im Funktionsbetrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, entstehen bei der Verbrennung hauptsächlich aus Ruß bestehende Partikel, deren Austritt aus der zugehörigen Abgasanlage möglichst vermieden werden soll. Zur Verminderung der Partikel-Emmision ist es bekannt, einen Partikelfilter in der Abgasleitung anzuordnen, der ein Großteil der Partikel ausfiltert. Ein Partikelfilter neigt jedoch dazu, sich mit der Zeit zuzusetzen, wenn die Partikel nicht kontinuierlich oder in Zeitintervallen frei- bzw. abgebrannt werden. Letzteres erfolgt bei einer Abgastemperatur, die oberhalb der Zündtemperatur von Ruß liegt, nämlich etwa 550°C. Da eine solche Betriebstemperatur unter üblichen Betriebsbedingungen im Straßenverkehr nicht immer erreicht wird, bedarf es Maßnahmen zur Erhöhung der Abgastemperatur in der Abgasleitung zwecks Einleitung und Durchführung einer Regeneration des Partikelfilters durch Frei- bzw. Abbrennen.
Eine bekannte Maßnahme ist das sogenannte CRT-System (Continius Regenerating Trap), das aus einem Rußpartikelfilter und einem davor positionierten Oxidationskatalysator besteht. In dem Katalysator wird NO zu NO2 oxidiert, das nachfolgend als Oxidationsmittel zur Verbrennung des am Partikelfilter gesammelten und hauptsächlich aus Kohlenstoff bestehenden Rußes verwendet wird.
Durch die Verwendung dieses Systems läßt sich zwar die Abgastemperatur, bei der die Partikel frei- bzw. abbrennen, zwar vermindern, jedoch kann ein funktionssicherer Betrieb dieses Systems insbesondere bei einer Diesel-Brennkraftmaschine nicht gewährleistet werden, da die üblichen Fahrbedingungen und daraus resultierende Abgasfunktionsbedingungen eine vorbeschriebene Regeneration des Partikelfilters nicht gewährleisten. Wenn deshalb eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine Diesel-Brennkraftmaschine über einen bestimmten Zeitraum mit ungünstigen Funktionsbedingungen betrieben wird, findet eine Partikelakkumulation am Filter statt, ohne daß dieser regeneriert wird. Es ist außerdem zu berücksichtigen, daß selbst dann, wenn das Abgas eine Temperatur aufweist, bei der eine Oxidation der Partikel stattfinden sollte, diese nur dann stattfindet, wenn weitere Funktionsbedingungen erfüllt sind, die die Oxidation bzw. Regeneration gewährleisten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Arten so weiterzubilden, daß eine verbesserte Oxidation der Partikel stattfinden kann, vorzugsweise bei niedriger Betriebstemperatur stattfinden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 3, 8 bzw. 10 gelöst. bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 1 werden der NO2-Anteil und der C-Anteil im Abgas ermittelt und bei Unterschreitung oder Überschreitung eines bestimmten Anteilverhaltnisses im Abgas der NO2-Anteil und/oder C-Anteil im Abgas so erhöht und/oder vermindert, daß die Anteile in bestimmten Wertebereichen liegen. Hierdurch wird für ein günstiges NO2/Kohlenstoff-Verhältnis und somit für eine günstige Bedingung für die Oxidation der Partikel gesorgt, so daß diese besser und mit verbesserter Verbrennungsleistung sowie umweltfreundlich in der Abgasleitung stattfinden kann. Diese Begünstigung der Funktionsbedingungen findet kontinuierlich statt, was zu einer kontinuierlichen Wirksamkeit der Verbesserung der Verbrennung der Partikel führt.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 3 findet die erfindungsgemäße Verbesserung der Funktionsbedingungen während eines Regenerationsvorgangs statt, der dann eingeleitet wird, wenn aufgrund einer Zusetzung des Filters durch Partikel der Abgasgegendruck einen bestimmten Wert überschreitet. Hierdurch werden die bereits beschriebenen Vorteile beim Regenerieren des Partikelfilters erreicht.
In den Ansprüchen 4 bis 7 sind Maßnahmen enthalten, die die Funktionsbedingungen weiter verbessern und zu einer Temperaturerhöhung führen und/oder das Anteilverhältnis bezüglich NO2 und/oder Kohlenstoff weiter verbessern.
Die vorbeschriebenen Vorteile gelten auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 10, wobei diese sich darüber hinaus durch eine einfache und kostengünstig herstellbare sowie kleine Bauweise und sichere Funktion auszeichnet bzw. auszeichnen.
Nachfolgend werden die Erfindung und weitere durch sie erzielbare Vorteile anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels und einer Zeichnung näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, in schematischer Darstellung. In der Zeichnung ist eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine Diesel-Brennkraftmaschine, mit 1 bezeichnet, und sie weist mehrere Zylinder auf, zu denen sich eine Luftansaugleitung 2 und von denen sich eine Abgasleitung 3 in an sich bekannter Weise erstrecken. Der Brennkraftmaschine 1 sind im einzelnen nicht dargestellte Kraftstoff-Einspritzventile einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 4 zugeordnet. Die Zylinder werden durch direkte Einspritzung mit Kraftstoff aus den Einspritzventilen und mit Verbrennungsluft durch die Luftansaugleitung 2 in einem bestimmten Kraftstoff/Luft-Verhältnis versorgt, wodurch der Verbrennungsbetrieb gewährleistet ist. Die Zylinder der Brennkraftmaschine 1 sind durch nicht dargestellte Zweigleitungsabschnitte mit der gemeinsamen Abgasleitung 3 verbunden, die von dem von der Brennkraftmaschine 1 ausgestoßenen Abgas in der mit dem Pfeil 5 bezeichneten Strömungsrichtung durchströmt wird. In der Abgasleitung 3 ist ein schädliche Gasbestandteile adsorbierender Katalysator 6, insbesondere ein Oxidations-Katalysator 6, in einem Gehäuse 7 angeordnet, das in seiner Querschnittsgröße größer bemessen ist, als die Querschrittgröße der Abgasleitung 3. In der Strömungsrichtung 5 hinter dem Katalysator 6 ist in der Abgasleitung 3 ein Partikelfilter 8 in einem Gehäuse 9 angeordnet. Der Brennkraftmaschine 1 ist eine Abgasrückführvorrichtung 11 zugeordnet, die eine die Brennkraftmaschine umgehende Rückführleitung 12 aufweist, die von der Abgasleitung 3 abzweigt und in der Strömungsrichtung 5 vor der Brennkraftmaschine 1 mit der Luftansaugleitung 2 verbunden ist und zwar in der Strömungsrichtung 5 hinter einer Drosselklappe 13 in der Luftansaugleitung 2, so daß die Verbrennungsluft im Funktionsbetrieb zunächst zur Drosselklappe 13 und dann zur Mündung der Rückführleitung 12 und zu den nicht dargestellten Zylindern gelangt. In der Rückführungsleitung 12 ist ein verstellbares Abgas-Rückführventil 14 angeordnet, mit dem die Menge des rückführbaren Abgases einstellbar ist. Das Rückführventil 14 ist durch eine Steuerleitung 15 mit einer elektrischen oder elektronischen Steuereinrichtung 16 mit einem Prozessor (CPO) verbunden. Die Drosselklappe 13 ist durch eine Signalleitung 17 mit der Steuereinrichtung 16 verbunden.
In der Abgasleitung 3 sind in der Strömungsrichtung 5 vor dem Katalysator 6 ein Temperatursensor 18 und ein Drucksensor 19 angeordnet, die durch Signalleitungen 21, 22 mit der elektronischen Steuereinrichtung 16 verbunden sind. Ferner sind in der Abgasleitung 3 zwischen dem Katalysator 6 und dem Partikelfilter 8 ein NOx-Sensor 23 und ein Kohlenstoffsensor 24 angeordnet, die durch Signalleitungen 25, 26 ebenfalls mit der elektronischen Steuereinrichtung 16 verbunden sind. Der Gehalt an NO2 kann aus dem gemessenen NOx, der Luftmasse und der Abgastemperatur berechnet werden.
Im Funktionsbetrieb der Brennkraftmaschine 1 gelangt das Abgas durch die Abgasleitung 3 zum Partikelfilter 8, an dem die Rußpartikel gesammelt werden, wobei das Abgas die Abgasleitung 3 weiter durchströmt und aus dieser ausströmt.
Mit den Sensoren 18, 19, 23 und 24 wird die Abgastemperatur, der Druck in der Abgasleitung 3 vor dem Partikelfilter 8, der NO2-Anteil und der C-Anteil im Abgas fortwährend überwacht und mit in der Steuereinrichtung 16 gespeicherten Daten bzw. Datenbereichen verglichen und wie folgt gesteuert.
Wenn die Abgastemperatur oberhalb eines bestimmten Wertes bzw. in einem bestimmten Wertebereich liegt, ist eine kontinuierliche Regeneration des Partikelfilters 8 durch eine kontinuierliche Oxidation der Partikel aufgrund des vorhandenen NO2 gewährleistet, das der NO zu NO2 umsetzende Katalysator 6 abgibt.
Wenn der Partikelfilter 8 sich z.B. bei Betriebsphasen bei geringerer Betriebstemperatur mit Partikeln zusetzt und der Abgasdruck im Bereich des Drucksensors 19 einen bestimmten Wert übersteigt, leitet die Steuereinrichtung 16 selbsttätig Maßnahmen ein, die zu einer Temperaturerhöhung des Abgases führen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird bzw. werden die Drosselung der Verbrennungsluft vergrößert, was durch eine Anstellung der Drosselklappe 13 erfolgt, und/oder eine Abgasrückführmenge eingestellt oder die Abgasrückführmenge vergrößert, was durch ein Vergrößern der Drossel 14 erfolgen kann und/oder es wird der Einspritzbeginn an der durch eine Steuerleitung 27 mit der Steuereinrichtung 16 verbundenen Einspritzvorrichtung 4 auf früher eingestellt. Hierdurch lassen sich sowohl höhere Abgastemperaturen als auch günstige NO2/Kohlenstoff-Verhältnisse einstellen.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die erzwungene Regeneration des Partikelfilters 8 Kennfeld- oder Schwellwert-gesteuert durch den Drucksensor 19 erfolgen. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, ohne Drucksensor 19 zu arbeiten und ein günstiges NO2/Kohlenstoff-Verhältnis die angestrebte Temperaturerhöhung durch vorbeschriebenen Einstellmaßnahmen oder die Temperaturerhöhung durch andere Maßnahmen kontinuierlich zu erzeugen.
BEZUGSZEICHENLISTE
1
Brennkraftmaschine
2
Luftansaugleitung
3
Abgasleitung
4
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
5
Strömungsrichtung (Pfeil)
6
Katalysator
7
Gehäuse
8
Partikelfilter
9
Gehäuse
11
Abgasrückführvorrichtung
12
Rückführungsleitung
13
Drosselklappe
14
Abgas-Rückführventil
15
Steuerleitung
16
elektronische Steuereinrichtung
17
Signalleitung
18
Temperatursensor
19
Drucksensor
21
Signalleitung
22
Signalleitung
23
NO2-Sensor
24
Kohlenstoff-Sensor
25
Signalleitung
26
Signalleitung

Claims (13)

  1. Verfahren zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, mit einem Partikelfilter (8) in einer Abgasleitung (3) der Brennkraftmaschine (1), bei dem die im Abgas enthaltenen Partikel mit dem Partikelfilter (8) gefiltert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der NO2-Anteil und der C-Anteil im Abgas ermittelt werden und bei Unterschreitung und/oder Überschreitung bestimmter Wertebereiche im Abgas der NO2-Anteil und/oder der C-Anteil im Abgas so erhöht oder vermindert wird bzw. werden, daß die Anteile in einem bestimmten NO2/C-Verhältnis-Bereich liegen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasdruck in der Strömungsrichtung vor dem Partikelfilter (8) ermittelt wird und das Kraftstoff/Luft-Verhältnis verringert bzw. fetter eingestellt wird, wenn der Abgasdruck einen bestimmten Wert übersteigt.
  3. Verfahren zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, mit einem Partikelfilter (8) in einer Abgasleitung (3) der Brennkraftmaschine (1), bei dem die im Abgas enthaltenen Partikel mit dem Partikelfilter (8) gefiltert werden, wobei der Abgasdruck in der Strömungsrichtung vor dem Partikelfilter (8) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn der Abgasdruck einen bestimmten Wert übersteigt, der NO2-Anteil und der C-Anteil im Abgas ermittelt werden und bei Unterschreitung und/oder Überschreitung bestimmter Wertebereiche im Abgas der NO2-Anteil und/oder der C-Anteil im Abgas so erhöht oder vermindert wird bzw. werden, daß die Anteile in einem bestimmten NO2/C-Verhältnis-Bereich liegen.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhung und/oder Verminderung des NO2-Anteils und/oder des C-Anteils im Abgas beendet wird, wenn der Abgasdruck einen bestimmten Wert unterschreitet.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn der Abgasdruck einen bestimmten Wert übersteigt, das Kraftstoff/Luft-Verhältnis verringert bzw. fetter eingestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansaugluftmenge gedrosselt wird und/oder eine Abgasmenge rückgeführt wird oder eine rückgeführte Abgasmenge vergrößert wird und/oder der Einspritzbeginn auf früher eingestellt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas in der Strömungsrichtung (5) vor der Stelle, an der der NO2- und der C-Anteil ermittelt werden, mit einem Katalysator (6) behandelt wird, der NO im Abgas zu NO2 oxidiert.
  8. Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, mit
    einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine,
    einer sich zur Brennkraftmaschine (1) erstreckende Luftansaugleitung (2), in der eine verstellbare Drossel (13) angeordnet ist,
    einer Einspritzvorrichtung (4), insbesondere für eine Direkteinspritzung in die Zylinder der Brennkraftmaschine (1),
    einer sich von der Brennkraftmaschine (1), erstreckenden Abgasleitung (3), in der ein Partikelfilter (8) angeordnet ist,
    und einer elektrischen Steuereinrichtung (16) zum Steuern der Einspritzvorrichtung (4), dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasleitung (3) ein NOx-Sensor (23) zum Ermitteln des NOx-Anteils im Abgas und ein C-Sensor (24) zum Ermitteln des C-Anteils im Abgas angeordnet sind, die jeweils dem zugehörigen Anteil entsprechende Signale der Steuereinrichtung (16) übermitteln, und die Steuereinrichtung (16) die Vorrichtung (1) so einstellt, daß der NO2-Anteil und der C-Anteil in einem bestimmten Wertebereich liegen.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drucksensor (19) in der Abgasleitung (3) in der Strömungsrichtung (5) vor dem Partikelfilter (8) angeordnet ist, der durch eine Signalleitung (22) mit der Steuereinrichtung (16) verbunden ist.
  10. Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, mit
    einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine,
    einer sich zur Brennkraftmaschine (1) erstreckende Luftansaugleitung (2), in der eine verstellbare Drossel (13) angeordnet ist,
    einer Einspritzvorrichtung (4), insbesondere für eine Direkteinspritzung in die Zylinder der Brennkraftmaschine (1),
    einer sich von der Brennkraftmaschine (1), erstreckenden Abgasleitung (3), in der ein Partikelfilter (8) angeordnet ist,
    und einer elektrischen Steuereinrichtung (16) zum Steuern der Einspritzvorrichtung (4), dadurch gekennzeichnet, daß ein Drucksensor (19), ein NO2-Sensor (23) und ein C-Sensor (24) in der Abgasleitung (3) in der Strömungsrichtung (5) vor dem Partikelfilter (8) angeordnet sind, die jeweils dem Abgasdruck bzw. dem zugehörigen Anteil entsprechende Signale der Steuereinrichtung (16) übermitteln, die dann, wenn der Abgasdruck einen bestimmten Wert übersteigt und der NO2-Anteil und der C-Anteil im Abgas bestimmte Wertebereiche unterschreiten und/oder überschreiten den NO2-Anteil und/oder den C-Anteil im Abgas so erhöht oder vermindert, daß die Anteile in einem bestimmten NO2/C-Verhältnis-Bereich liegen.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (16) dann, wenn der Abgasdruck einen bestimmten Wert übersteigt, das Kraftstoff/Luft-Verhältnis verringert bzw. fetter einstellt.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (16) die Ansaugluftmenge drosselt und/oder eine Abgasmenge rückführt oder eine rückgeführte Abgasmenge vergrößert und/oder den Einspritzbeginn auf früher einstellt.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Strömungsrichtung (5) vor dem NO2-Sensor (23) und dem C-Sensor (24) ein Oxidationskatalysator (6) angeordnet ist.
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